Los elementos lantánidos son partes esenciales de los productos de alta tecnología actuales, incluidos los televisores de pantalla plana, celulares, coches eléctricos, y satélites. Si bien la demanda de estos elementos es alta, separar los lantánidos de las impurezas (otros lantánidos) es extremadamente difícil. La industria utiliza extracción líquido-líquido. El objetivo en el agua se desliza hacia una fase oleosa con la ayuda de una molécula extractora. Las impurezas permanecen en el agua. Por décadas, los investigadores han diseñado extractantes novedosos. Sin embargo, Han pasado por alto en gran medida los efectos sutiles de las delgadas capas de agua que acompañan al viaje, envuelto alrededor del objetivo. Una nueva investigación revela matrices peculiares de moléculas de agua que afectan el funcionamiento del extractante.

Los hallazgos enfatizan el beneficio de controlar las interacciones sutiles de la esfera exterior. La extracción líquido-líquido de lantánidos es una tecnología bien desarrollada. No se comprende bien por qué ciertos extractantes son extremadamente selectivos y otros no. También, no se sabe bien cómo diseñar una selectividad mejorada. Saber cómo el agua que se extrae con el elemento objetivo influye en la separación es un paso vital hacia el diseño de mejores sistemas de extracción. Estos sistemas pueden obtener los lantánidos necesarios para dispositivos de alta tecnología.

La comprensión fundamental del reconocimiento selectivo y la separación de iones lantánidos por agentes quelantes es de crucial importancia para el avance de los sistemas energéticos sostenibles. Los lantánidos son difíciles de separar entre sí debido a las similitudes en sus propiedades físicas y químicas. La mayoría de los procesos de separación aprovechan una pequeña disminución del radio iónico que se produce en la serie de lantánidos. Estos procesos de separación utilizan dos líquidos. Los líquidos son como aceite y agua. Se pueden mezclar pero siempre volver a separarlos en diferentes capas. Durante la mezcla, el líquido extractante extrae el complejo de lantánidos objetivo, rodeado de capas de moléculas de agua. El líquido extractante contiene brazos, llamados ligandos, que agarran el lantánido. Para un ligando ideal, la disminución en el radio iónico resultaría en un aumento constante de la extracción en toda la serie. Es decir, los ligandos capturarían más lutecio (el lantánido con el radio más pequeño) que lantano (con el radio más grande). Sin embargo, con el ligando de diglicolamida, La extracción de lantánidos aumenta a través de los lantánidos ligeros a medios, pero la selectividad permanece casi constante en los lantánidos más pequeños, lantánidos pesados. La colaboración entre la Escuela de Minas de Colorado y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge esclareció el origen de la selectividad de los lantánidos a través de investigaciones complementarias que integran estudios de distribución, cálculos de mecánica cuántica, y simulaciones clásicas de dinámica molecular.

Los resultados muestran una relación entre el agua coextraída y la extracción de lantánidos por el ligando de diglicolamida en toda la serie. El hallazgo apunta a la importancia de las interacciones de enlace de hidrógeno entre los iones de nitrato de la esfera externa en el ligando y el complejo de lantánidos y los grupos de agua en un entorno no polar. Basado en los estudios experimentales y de la teoría funcional de la densidad, el mecanismo subyacente a la absorción de agua está relacionado con el área de superficie de los contraiones de nitrato disponibles para interactuar con el agua coextraída. Las simulaciones de dinámica molecular aclaran aún más que los iones de nitrato de la esfera externa en los ligandos forman enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua.

En una perspectiva más amplia, Estos resultados tienen implicaciones significativas para el diseño de nuevos sistemas y procesos de separación de iones lantánidos trivalentes. enfatizando la importancia de ajustar las interacciones de la esfera interna y externa para obtener un control total sobre la selectividad en la extracción líquido-líquido de lantánidos.